Un helióstato (de helios , la palabra griega para sol , y stat , como en estacionario) es un dispositivo que incluye un espejo, generalmente un espejo plano , que gira para seguir reflejando la luz solar hacia un objetivo predeterminado, compensando los movimientos aparentes del Sol en el cielo.
El objetivo puede ser un objeto físico, distante del helióstato, o una dirección en el espacio. Para ello, la superficie reflectante del espejo se mantiene perpendicular a la bisectriz del ángulo entre las direcciones del Sol y el objetivo visto desde el espejo. En casi todos los casos, el objetivo es estacionario en relación con el helióstato, por lo que la luz se refleja en una dirección fija. Según fuentes contemporáneas, el helióstato, como se lo llamó al principio, fue inventado por Willem 's Gravesande (1688-1742). [1] Otros contendientes son Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) y Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). [2] Un helióstato diseñado por George Johnstone Storey se encuentra en la colección del Science Museum Group . [3]
En la actualidad, la mayoría de los helióstatos se utilizan para la iluminación natural o para la producción de energía solar concentrada , normalmente para generar electricidad. También se utilizan a veces en la cocina solar . Algunos se utilizan experimentalmente para reflejar rayos de luz solar inmóviles en telescopios solares . Antes de la disponibilidad de láseres y otras luces eléctricas, los helióstatos se utilizaban ampliamente para producir rayos de luz intensos y estacionarios para fines científicos y de otro tipo.
La mayoría de los helióstatos modernos están controlados por ordenadores. El ordenador recibe la latitud y la longitud de la posición del helióstato en la Tierra, así como la hora y la fecha. A partir de estos datos, utilizando la teoría astronómica , calcula la dirección del Sol tal como se ve desde el espejo, por ejemplo, su rumbo de brújula y su ángulo de elevación. A continuación, dada la dirección del objetivo, el ordenador calcula la dirección de la bisectriz del ángulo requerida y envía señales de control a los motores , a menudo motores paso a paso , para que giren el espejo hasta la alineación correcta. Esta secuencia de operaciones se repite con frecuencia para mantener el espejo correctamente orientado.
Las grandes instalaciones, como las centrales termosolares, incluyen campos de helióstatos compuestos por numerosos espejos. Normalmente, todos los espejos de un campo de este tipo están controlados por un único ordenador.
Existen tipos más antiguos de helióstatos que no utilizan ordenadores, incluidos los que se controlan total o parcialmente a mano o mediante un mecanismo de relojería , o que se controlan mediante sensores de luz . Estos últimos son bastante raros en la actualidad.
Los helióstatos deben distinguirse de los seguidores solares o seguidores solares que apuntan directamente al sol en el cielo. Sin embargo, algunos tipos más antiguos de helióstatos incorporan seguidores solares, junto con componentes adicionales para dividir en dos el ángulo entre el sol, el espejo y el objetivo.
Un siderostato es un dispositivo similar que está diseñado para seguir una estrella más débil , en lugar del Sol.
En una planta termosolar, como las de The Solar Project o la PS10 en España, un amplio campo de helióstatos concentra la energía del Sol en un único colector para calentar un medio como el agua o la sal fundida. El medio viaja a través de un intercambiador de calor para calentar el agua, producir vapor y luego generar electricidad a través de una turbina de vapor.
En los hornos solares experimentales, como el de Odeillo , en Francia, se utiliza una disposición algo diferente de los helióstatos en un campo. Todos los espejos de los helióstatos envían haces de luz exactamente paralelos a un gran reflector paraboloide que los enfoca con precisión. Los espejos tienen que estar ubicados lo suficientemente cerca del eje del paraboloide para reflejar la luz solar en él a lo largo de líneas paralelas al eje, por lo que el campo de helióstatos tiene que ser estrecho. Se utiliza un sistema de control de bucle cerrado . Los sensores determinan si alguno de los helióstatos está ligeramente desalineado. Si es así, envían señales para corregirlo.
Se ha propuesto que las altas temperaturas generadas podrían utilizarse para dividir el agua y producir hidrógeno de manera sostenible. [4]
Los helióstatos más pequeños se utilizan para la iluminación natural y la calefacción. En lugar de muchos helióstatos grandes que se centran en un único objetivo para concentrar la energía solar (como en una planta de energía solar de torre), un único helióstato, normalmente de entre 1 y 2 metros cuadrados, refleja la luz solar no concentrada a través de una ventana o tragaluz. Un helióstato pequeño, instalado en el exterior, en el suelo o en la estructura de un edificio, como un tejado, se mueve en dos ejes (arriba/abajo e izquierda/derecha) para compensar el movimiento constante del sol. De esta forma, la luz solar reflejada permanece fija en el objetivo (por ejemplo, la ventana).
Genzyme Center, sede corporativa de Genzyme Corp. en Cambridge, Massachusetts, utiliza helióstatos en el techo para dirigir la luz solar hacia su atrio de 12 pisos. [5] [6]
En un artículo de 2009, Bruce Rohr sugirió que se podrían utilizar pequeños heliostatos como un sistema de torre de energía solar. [7] : 7–12 En lugar de ocupar cientos de acres, el sistema encajaría en un área mucho más pequeña, como el tejado plano de un edificio comercial, dijo. El sistema propuesto utilizaría la energía de la luz solar para calentar y enfriar un edificio o para proporcionar entrada para procesos industriales térmicos como el procesamiento de alimentos. El enfriamiento se realizaría con un enfriador de absorción . Rohr propuso que el sistema sería "más confiable y más rentable por metro cuadrado de área reflectante" que las grandes plantas de torres de energía solar, en parte porque no sacrificaría el 80 por ciento de la energía recolectada en el proceso de convertirla en electricidad. [7] : 9
Los costos de los helióstatos representan entre el 30 y el 50 % de la inversión de capital inicial para las plantas de energía solar con torres, dependiendo de la política energética y el marco económico del país en el que se encuentran. [8] [9] Es interesante diseñar helióstatos menos costosos para la fabricación a gran escala, de modo que las plantas de energía solar con torres puedan producir electricidad a costos más competitivos que los de las plantas de energía nuclear o a carbón convencionales .
Además del costo, el porcentaje de reflectividad solar (es decir, el albedo ) y la durabilidad ambiental son factores que deben considerarse al comparar diseños de helióstatos.
Una forma en que los ingenieros e investigadores están intentando reducir los costos de los helióstatos es reemplazando el diseño convencional de los helióstatos por uno que utilice menos materiales y más livianos. Un diseño convencional para los componentes reflectantes del helióstato utiliza un segundo espejo de superficie. La estructura del espejo tipo sándwich generalmente consta de un soporte estructural de acero, una capa adhesiva, una capa protectora de cobre, una capa de plata reflectante y una capa protectora superior de vidrio grueso. [8] Este helióstato convencional a menudo se conoce como helióstato de vidrio/metal. Los diseños alternativos incorporan investigaciones recientes sobre adhesivos, compuestos y películas delgadas para lograr una reducción de los costos de los materiales y del peso. Algunos ejemplos de diseños de reflectores alternativos son los reflectores de polímero plateado, los sándwiches de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRPS) y los reflectores aluminizados. [10] Los problemas con estos diseños más recientes incluyen la delaminación de los recubrimientos protectores, la reducción del porcentaje de reflectividad solar durante largos períodos de exposición al sol y los altos costos de fabricación.
El movimiento de la mayoría de los helióstatos modernos emplea un sistema motorizado de dos ejes, controlado por ordenador, como se ha explicado al principio de este artículo. Casi siempre, el eje de rotación principal es vertical y el secundario horizontal, por lo que el espejo se encuentra sobre una montura altazimutal .
Una alternativa sencilla es que el espejo gire alrededor de un eje primario alineado con los polos , impulsado por un mecanismo mecánico, a menudo de relojería, a 15 grados por hora, compensando la rotación de la Tierra en relación con el Sol. El espejo está alineado para reflejar la luz solar a lo largo del mismo eje polar en la dirección de uno de los polos celestes . Hay un eje secundario perpendicular que permite un ajuste manual ocasional del espejo (a diario o con menos frecuencia según sea necesario) para compensar el cambio en la declinación del Sol con las estaciones. La configuración del reloj de accionamiento también se puede ajustar ocasionalmente para compensar los cambios en la ecuación del tiempo . El objetivo se puede ubicar en el mismo eje polar que es el eje de rotación principal del espejo, o se puede utilizar un segundo espejo estacionario para reflejar la luz desde el eje polar hacia el objetivo, donde sea que esté. Este tipo de montaje y accionamiento del espejo se utiliza a menudo con cocinas solares , como los reflectores Scheffler . [11] [12] [13] Para esta aplicación, el espejo puede ser cóncavo , para concentrar la luz solar en el recipiente de cocción.
Las alineaciones altazimutal y de eje polar son dos de las tres orientaciones para monturas de dos ejes que se usan, o se han usado, comúnmente para espejos de helióstatos. La tercera es la disposición de eje objetivo en la que el eje primario apunta hacia el objetivo en el que se reflejará la luz solar. El eje secundario es perpendicular al primario. Los helióstatos controlados por sensores de luz han usado esta orientación. Un brazo pequeño lleva sensores que controlan motores que hacen girar el brazo alrededor de los dos ejes, de modo que apunte hacia el sol, incorporando un seguidor solar. Una disposición mecánica simple divide en dos el ángulo entre el eje primario, que apunta al objetivo, y el brazo, que apunta al sol. El espejo está montado de modo que su superficie reflectante sea perpendicular a esta bisectriz. Este tipo de helióstato se usaba para la iluminación natural antes de la disponibilidad de computadoras baratas, pero después de la disponibilidad inicial del hardware de control de sensores.
Existen diseños de helióstatos que no requieren que los ejes de rotación tengan una orientación exacta. Por ejemplo, puede haber sensores de luz cerca del objetivo que envíen señales a los motores para que corrijan la alineación del espejo cuando el haz de luz reflejado se aleje del objetivo. Las direcciones de los ejes solo deben conocerse de forma aproximada, ya que el sistema es intrínsecamente autocorrector. Sin embargo, existen desventajas, como que el espejo debe realinearse manualmente cada mañana y después de un período nublado prolongado, ya que el haz reflejado, cuando reaparece, no alcanza los sensores, por lo que el sistema no puede corregir la orientación del espejo. También existen problemas geométricos que limitan el funcionamiento del helióstato cuando las direcciones del Sol y del objetivo, tal como se ven desde el espejo, son muy diferentes. Debido a las desventajas, este diseño nunca se ha utilizado comúnmente, pero algunas personas experimentan con él.
Normalmente, el espejo del helióstato se mueve a una velocidad que es la mitad del movimiento angular del Sol. Existe otra disposición que satisface la definición de helióstato pero cuyo movimiento del espejo es dos tercios del movimiento del Sol. [14]
En ocasiones también se han utilizado otros muchos tipos de helióstatos. Por ejemplo, en los primeros helióstatos, que se utilizaban para iluminar el día en el antiguo Egipto, los sirvientes o esclavos mantenían alineados los espejos manualmente, sin utilizar ningún tipo de mecanismo (hay lugares en Egipto donde esto se hace hoy en día, para el beneficio de los turistas. En la película de 1997 El quinto elemento, un niño egipcio sostiene un espejo para iluminar una pared dentro de una cueva para un arqueólogo ficticio). Durante el siglo XIX se fabricaron elaborados helióstatos con mecanismo de relojería que podían reflejar la luz solar hacia un objetivo en cualquier dirección utilizando un solo espejo, lo que minimizaba las pérdidas de luz y compensaba automáticamente los movimientos estacionales del sol. Algunos de estos dispositivos todavía se pueden ver en museos, pero hoy en día no se utilizan con fines prácticos. A veces, los aficionados idean diseños ad hoc que funcionan de manera aproximada, en algún lugar en particular, sin ninguna justificación teórica. Es posible un número prácticamente ilimitado de tales diseños.
